Elektrownie szczytowo-pompowe

Wstęp

Magazyny energii w postaci zbiorników wody stosowane są już od bardzo dawna. To jedna z najlepszych metod magazynowania dużych ilości energii, jednocześnie bardzo droga i pracochłonna w wykonaniu. Elektrownia szczytowo-pompowa działa na zasadzie zamiany energii elektrycznej w potencjalną wody, a następnie, energii potencjalnej w kinetyczną, do napędu turbiny i ostatecznie znów elektryczną. Zbudowana jest z dwóch zbiorników wody, dolnego i górnego, pomiędzy którymi jest duża różnica wysokości, dochodząca do kilkuset metrów.

W czasie ładowania energii, system pomp przepompowuje wodę ze zbiornika dolnego do górnego. Wykorzystywana do tego celu duża ilość energii elektrycznej ściąga jej nadwyżkę z sieci energetycznej (np. okres nocny) zamieniając na energię potencjalną wody. Każdy przepompowany metr sześcienny, przy różnicy wysokości 100m pozwala zgromadzić w górnym zbiorniku moc chwilową rzędu 981 kW. Moc możliwa do odzyskania jest nieco mniejsza, z uwagi na straty spowodowane oporami przepływu, sprawnością elektryczną układu, sprawnością turbiny itp. Można ją wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

Q – przełyk elektrowni, czyli wielkość przepływu przez turbinę w m3/s

H- wysokość spadu wody, czyli różnica wysokości pomiędzy zbiornikami górnym i dolnym [m]

9,81 – wartość przyspieszenia ziemskiego [m/s2]

ηt – sprawność turbiny

η-sprawność przekładni

ηg – sprawność generatora

ηs – sprawność układu elektrycznego

Woda w górnym zbiorniku ulega też odparowaniu, co powoduje dodatkowe straty energii. Przy założeniu, że ten metr sześcienny wody spłynie do zbiornika dolnego w ciągu 1s, odzyskamy energię w ilości 981x1s/3600s  = 0,272kWh. Przy założeniu sprawności uzyskiwanej przez tego typu elektrownie na poziomie 80%, ostateczna ilość energii wyniesie 0,8×0,272 = 0,22 kWh. To ilość energii pozwalająca zasilać dwie 100W żarówki przez godzinę. W praktyce elektrownie szczytowo-pompowe mają pojemności dochodzące do wielu milionów m3, stąd zgromadzoną w nich ilość energii można liczyć w MWh, a nawet GWh. 

Budowa elektrowni szczytowo-pompowych

Wykonanie elektrowni szczytowo-pompowej wymaga terenu o dużej deniwelacji. Im większa różnica poziomów między zbiornikiem górnym i dolnym, tym możliwość zgromadzenia większej ilości energii, przy tej samej pojemności zbiornika. Sama elektrownia lokalizowana jest zawsze przy zbiorniku dolnym. Woda zasilająca turbiny dopływa tzw. kanałem derywacyjnym. Kanał ten może być:

otwarty, gdzie woda płynie pod ciśnieniem atmosferycznym: rozwiązanie rzadkie, wymagające wybetonowanego koryta o odpowiednim przekroju,

półotwarty, gdzie woda przez pewien odcinek płynie otwartym korytem, by potem dostać się do rur ciśnieniowych

zamknięty, najczęstsze rozwiązanie; woda ze zbiornika górnego do dolnego spływa systemem rur ciśnieniowych.

Pewną odmiana kanału zamkniętego jest sztolnia, kanał wykonany w zboczu góry lub w konstrukcji tamy.

Rys. Różne rozwiązania spiętrzenia wody w elektrowni. a) zapora piętrząca o dużej wysokości ze sztolnią, b) zapora na zbiorniku górnym, połączona derywacją ciśnieniowa ze zbiornikiem dolnym, c) elektrownia z derywacją mieszaną kanałowo-ciśnieniową, d) elektrownia ze sztolnią wykonaną we wnętrzu góry.

Elektrownie szczytowo-pompowe można podzielić generalnie na dwa typy:
1) pompowe – z zamkniętym układem wody. Tego typu obiekty wykorzystują do produkcji energii
wyłącznie wodę, która została wpompowana do nieposiadającego żadnych dopływów naturalnych
zbiornika górnego. 
2) pompowe z dopływem naturalnym – wykorzystujące otwarty układ wodny. W tego typu obiektach
zbiornik górny posiada zasilanie naturalnymi dopływami, dzięki czemu poza magazynowaniem
energii istnieje także możliwość produkcji energii bez konieczności pompowania. 

Zgromadzenie dużej ilości wody w zbiorniku górnym (tzw. woda górna), wymaga wybudowania na rzece zapory. Na terenach wyżynnych, o znacznej deniwelacji buduje się zwykle zapory betonowe, przegradzając nimi koryto rzeki. Na niżach rozwiązanie takie jest niemożliwe. Wykonanie zbiornika górnego wymaga w tym wypadku usypania wału o znacznej wysokości, a następnie uszczelnienia jego dna. Szczelne dno i brzegi zbiornika ESP nazywane jest ekranem. Technologie jego wykonania, to zwykle:

  • ekrany asfalto-betonowe składające się z kilku warstw wysokiej jakości asfaltu hydrotechnicznego
  • ekrany syntetyczne, tzw. membrany

Na zdjęciu po lewej zbiornik w technologii membranowej w miejscowości Aleko w Bułgarii.

Kolejnym elementem elektrowni szczytowo-powpowych jest budynek siłowni w którym zainstalowane jest całe wyposażenie elektromechaniczne i hydrozespoły. Dla zapewnienia wysokiej wydajności hala hydrozespołów musi być zagłębiona poniżej lustra wody zbiornika dolnego. Wyróżnia się tutaj trzy technologie:

  • Elektrownie typu brzegowego, wykonane jako budynek napowierzchniowy z głęboko posadowionymi fundamentami. Budowla taka, przez konieczność wykonywania głębokiego i rozległego wykopu, jest trudna w realizacji i posiada ograniczenia w zakresie zagłębienia turbin. Przykładem zastosowania rozwiązania w warunkach Polskich jest ESP Żarnowiec 

Rys. Elektrownia Żarnowiec, przekrój poprzeczny. Poniżej widok na zbiornik górny

Fot. Elektrownia szczytowo-pompowa Żarnowiec (fot. PGE)

Zatrzymam się na chwilę przy tej elektrowni, bo to obecnie największa elektrownia szczytowo-pompowa w Polsce, o mocy 716MW.  Położona  w Czymanowie, woj. pomorskie, wykorzystuje do swojej pracy spiętrzone wody Jeziora Żarnowieckiego (zbiornik dolny) oraz sztucznie magazynowane w zbiorniku górnym powstałym na pobliskim płaskowyżu. W elektrowni zainstalowano cztery turbiny Francisa, każda o mocy 179MW. Turbiny w czasie generowania energii mogą pracować przez 5,5h, co daje łączna ilość energii w czasie generacji równą 4x179x5,5 =  3938MWh. W czasie „ładowania energii”, w elektrowni pracują cztery pompy, każda o mocy 200 MW. Czas pompowania (napełniania zbiornika górnego) trwa około 6h. Ściągnięta w tym czasie z sieci energia wynosi 4x200x6 = 4800 MWh. Sprawność elektrowni można więc w przybliżeniu  ocenić na: 3938/4800 = 82%. Zbiornik górny w elektrowni ma 135ha powierzchni i pojemność użytkową 13,8 mln m3. Derywacja wykonana jest jako ciśnieniowa, za pomocą czterech stalowych rurociągów, każdy o długości 1100m i średnicy 7,1/5,4m. W ciągu sekundy może nimi popłynąć 700m3 wody, co można porównać do chwilowego przepływu w Wiśle w okolicach Warszawy.

  • Elektrownie z halą maszyn podziemną. Takie rozwiązanie pozwala na większe zagłębienie hydrozespołów oraz ogranicza koszty związane z pracami w głębokich wykopach. W wypadku elektrowni podziemnych koniecznym jest wykonanie dużej ilości dodatkowych sztolni: dostępowych, dopływowych, odpływowych, wentylacyjnych i innych. Struktury podziemnych budowli ESP bywają bardzo skomplikowane i w dużej mierze zależą od struktury geologicznej wybranej lokalizacji. W Polsce przykładem elektrowni podziemnej jest ESP Porąbka-Żar
  • Elektrownie studniowe, które cechują się ulokowaniem hydrozespołów w głębokich szybach. Obiekty tego typu nie wymagają rozwiniętej podziemnej części komunikacyjnej, a duża część urządzeń układu wyprowadzenia mocy zlokalizowana jest na powierzchni. Wadami elektrowni w układzie studniowym jest ograniczona ze względu na przekrój szybu przestrzeń dla montażu hydrozespołu, utrudniony dostęp do urządzeń oraz wydłużony czas ich montażu spowodowany znaczną różnicą wysokości pomiędzy hydrozespołem i poziomem montażowym. Przykładem elektrowni tego typu w Polsce jest niezakończona ESP Młoty. Poniżej przekrój przez ESP Rodundwerk II jako przykład elektrowni w wykonaniu studniowym.
Rys. Przekrój przez budynek szybowy elektrowni ESP Rodunwerk II w Austrii po stronie odpływu wody do zbiornika dolnego

Elektrownie szczytowo-pompowe w Polsce

W Polsce działa aktualnie 6 ESP o łącznej mocy 1,8 GW. Trzy z nich to klasyczne ESP ze zbiornikiem górnym wałowym i pompowaniem wody między obu zbiornikami. Są to:

– opisywana już powyżej ESP Żarnowiec o mocy 716 MW

– Porąbka-Żar (540 MW), wybudowana przy jeziorze Międzybrodzkim, ze zbiornikiem górnym na górze Żar,

– Żydowo (167MW), położone pomiędzy dwoma naturalnymi jeziorami (Kwiecko – zbiornik dolny, Kamienne – zbiornik górny) odległymi od siebie ok. 1,5 km,. Różnica poziomów pomiędzy nimi sięga 82 m.

Rys. mapa aktualnie pracujących elektrowni SP w kraju. (rys. wysokienapiecie.pl)

Pozostałe trzy elektrownie, czyli Solina (199 MW, PGE), Niedzica (93 MW, ZEW Niedzica) oraz Dychów (88 MW, PGE), to siłownie zbiornikowe z pompowaniem, w których wykorzystywany jest przepływ naturalny i okresowo bądź stale przepływ sztuczny (pompowanie ze zbiornika dolnego do górnego). Solina korzysta ze spiętrzeń wody na Sanie (Jezioro Solińskie – zbiornik górny, Jezioro Myczkowskie – dolny), a Niedzica na Dunajcu (Jezioro Czorsztyńskie – zbiornik górny, Jezioro Sromowskie – dolny). Dychów jest elektrownią typu derywacyjnego: spiętrzone wody rzeki Bóbr przez jaz są prowadzone ponad 20-kilometrowym kanałem do zbiornika retencyjnego w Dychowie.

W latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku planowano wybudowanie w kraju kilka kolejnych ESP o łącznej mocy 5,1 GW. Projekty te jednak utknęły. Obecnie, w obliczu kryzysu energetycznego wraca się do nich. Są to: Pilchowice III (na Bobrze, moc 612 MW), Rożnów II (na zbiorniku istniejącej elektrowni wodnej Rożnów, 700 MW), Niewistka (na Sanie, 1000 MW), Kadyny (nad Zalewem Wiślanym, 1040 MW), Sobel (na Dunajcu i Brzynie, 1000 MW) oraz Młoty (niedaleko Bystrzycy Kłodzkiej, 750 MW).

Rola ESP w systemie energetycznym

W systemie elektroenergetycznym, w którym struktura generacji jest w większości oparta o źródła
cieplne zasilane węglem, gazem, ropą, a także energią atomową, główne role ESP polegają na:

  • ładowaniu się w nocy, kiedy występuje niskie zapotrzebowanie systemu, co umożliwienia ciągłą
    pracę, bez kosztownego uruchamiania cieplnych jednostek wytwórczych,
  • pozostawaniu w trybie ciągłej dyspozycyjności do możliwości uruchomienia się interwencyjnego
    w przypadku wystąpienia zakłócenia, nagłego niezbilansowania w systemie bądź potrzeby
    operatora systemu elektroenergetycznego do redysponowania energii w celu usuwania
    ograniczeń sieciowych

Obecnie w związku z postępującą transformacją energetyczną oraz zmianą struktury generacji
w systemie elektroenergetycznym, oprócz powyższych ról dochodzą nowe:

  • funkcjonowanie na rynku energii elektrycznej w ramach tzw. arbitrażu cenowego (zarabianie na
    różnicy cen energii elektrycznej pobieranej z sieci i oddawanej do sieci odpowiednio gdy ceny
    rynkowe są niskie i wysokie – zazwyczaj w dolinie i szczycie obciążenia KSE),
  • rezerwacja mocy i pojemności magazynowych pod wysoką generację z farm wiatrowych
    w godzinach nocnych,
  • rezerwacja mocy i pojemności magazynowych pod wysoką generację z instalacji fotowoltaicznych
    w godzinach południowych

Dodatkowymi usługami jakie ESP już świadczą i których znaczenie będzie rosło wraz ze zwiększającym
się nasyceniem instalacji OZE w systemie elektroenergetycznym są:

  • możliwości szybkiej zmiany trybu pracy wraz z dynamicznymi zmianami punktów pracy –
    przykładowo przejście z maksymalnej generacji do minimalnej, a następnie powrót do stanu
    pierwotnego w czasie rzędu jednej minuty,
  • dostarczanie mocy i energii biernej podczas pracy kompensatorowej w celu regulacji poziomów
    napięć w poszczególnych węzłach elektroenergetycznych,
  • możliwość uczestniczenia w odbudowie krajowego systemu elektroenergetycznego poprzez
    posiadanie zdolności do samostartu ze stanu beznapięciowego wraz z możliwością podania
    napięcia na niezasilone linie elektroenergetyczne.